ADC采樣積分方式的BLDC方波無(wú)感控制的原理

本文主要參考了TIDA-010031參考設計，分析下ADC采樣積分方波無(wú)感控制的原理，方便大家更好地完成類(lèi)似的方案設計。

1.下面是典型的三相BLDC電機控制框圖

三個(gè)半橋驅動(dòng)BLDC無(wú)刷電機，檢測低邊總線(xiàn)電流

2.典型的BLDC電機相電流和反電動(dòng)勢波形圖分析

從波形上看，每60度電角度，只有兩個(gè)半橋有驅動(dòng)電壓輸出，另外一個(gè)半橋上下管全關(guān)，這個(gè)相電壓是懸浮態(tài)。

BLDC電機運行后，相線(xiàn)都有反電動(dòng)勢。

電機反電動(dòng)勢來(lái)源于電機轉子旋轉引起磁通的變化，而磁通的變化在定子繞組上會(huì )產(chǎn)生感應電壓。

對同一個(gè)電機來(lái)說(shuō)，反電動(dòng)勢峰值跟電機轉速幾乎是固定的比例。

3.反電動(dòng)勢過(guò)零點(diǎn)到峰值的反電動(dòng)勢電壓和時(shí)間的積分

根據上面對反電動(dòng)勢峰值跟轉速(電頻率)幾乎成固定比例的描述，設定 。Vm為反電動(dòng)勢峰值, 對于同一個(gè)電機，我們可以認為Kv幾乎不變。

以上圖左邊的藍色區域為例，該區域(反電動(dòng)勢過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻到下一次換相點(diǎn)時(shí)刻之間的區域)的電角度是30度，也就是電角度（360度）的1/12。

設當前電機電頻率為f, 單位為Hz。

反電動(dòng)勢的峰值電壓為 ,單位為伏特。

設反電動(dòng)勢從center tap value到最大值的時(shí)間為t1, 而 。

那么藍色積分區域的積分值就等于藍色三角形的面積：

可以看到，積分結果是Kv值的 ，因此積分結果也是幾乎不變的。

所以我們可以根據積分的值跟固定閾值作比較來(lái)判斷換相點(diǎn)。

4.ADC如何采樣反電動(dòng)勢

方波無(wú)感BLDC的ADC采樣積分控制，電路設計有三相相電壓ADC采樣電路，每60度電角度區間電機的兩相由于半橋有輸入電壓同時(shí)有電感電流，在不增加額外電路的情況下很難獲得反電動(dòng)勢電壓，而懸浮相由于沒(méi)有半橋電壓輸入和電感電流，所以可以從檢測該相端電壓推導出該相實(shí)際的反電動(dòng)勢電壓。

設計上采用下管常開(kāi)，上管打PWM的策略驅動(dòng)電機?？紤]到電機驅動(dòng)的PWM duty的大小是變化的，可以根據半橋上管ON的時(shí)間長(cháng)短來(lái)決定采樣策略，因為如果上管導通時(shí)間太短，為了避開(kāi)MOSFET開(kāi)通關(guān)斷的影響，留給采樣的時(shí)間就變得很少，不利于采樣的準確性.

• 在上管ON的時(shí)間比較長(cháng)時(shí)，在上管ON時(shí)遠離MOSFET開(kāi)關(guān)時(shí)刻檢測懸浮相的反電動(dòng)勢電壓(一般在ON時(shí)間的正中間進(jìn)行采樣)。

此時(shí)的驅動(dòng)邏輯是A相上管導通，B相下管導通, 所以有 。

Ea, Eb, Ec為電機三相反電動(dòng)勢電壓，va, vb, vc為三相半橋中點(diǎn)電壓，也就是電機三相輸入電壓。

La, Lb, Lc為電機三相相電感，ia, ib,ic為電機三相輸入電流，Ra, Rb, Rc為電機三相輸入電阻(考慮三相電阻相等), vn為電機三相中點(diǎn)電壓。

可以得到當Ec=0，也就是反電動(dòng)勢過(guò)零時(shí)，， 也就是說(shuō)當ADC檢測到時(shí)，就意味著(zhù)這個(gè)時(shí)刻是C相的反電動(dòng)勢過(guò)零點(diǎn)， 那么理論上再經(jīng)過(guò)1/12 的電周期時(shí)間，電機就需要進(jìn)行換向.

• 上管ON的時(shí)間比較短時(shí)，在上管OFF時(shí)檢測懸浮相的反電動(dòng)勢電壓(一般在OFF時(shí)間的正中間進(jìn)行采樣)

此時(shí)的驅動(dòng)邏輯是A相上管關(guān)閉，B相下管仍導通,此時(shí)A相下管MOSFET體二極管續流，所以有。

得到當Ec=0，也就是反電動(dòng)勢過(guò)零時(shí),vc=0， 也就是說(shuō)當ADC檢測到vc=0時(shí)，就意味著(zhù)這個(gè)時(shí)刻是C相的反電動(dòng)勢過(guò)零點(diǎn)， 那么理論上再經(jīng)過(guò)1/12的電周期時(shí)間，電機就需要進(jìn)行換向.

從上面的分析，我們可以看到，使用ADC采樣積分方式進(jìn)行無(wú)感BLDC控制，設計上需要注意以下幾點(diǎn)：

● 積分閾值跟電機的反電動(dòng)勢峰值和轉速比值相關(guān)，可能會(huì )隨著(zhù)電機不同而不同，需要針對電機進(jìn)行調整。

● 上管做PWM驅動(dòng)的設計下， 可以采用不同的ADC采樣策略來(lái)針對大duty和小duty的情況，同時(shí)反電動(dòng)勢過(guò)零點(diǎn)的判斷也需要調整

● 電機高速情況下，電頻率相對比較高，而ADC積分采樣基于PWM開(kāi)關(guān)周期采樣的，所以要獲得比較準確的換相點(diǎn)，需要比較高的開(kāi)關(guān)頻率，如果開(kāi)關(guān)頻率比較低，意味著(zhù)采樣速率慢，可能會(huì )造成換相延遲比較大，從而影響電機的正?？刂?。